吸收光谱法准确指认单壁碳纳米管手性分布的通用性模型的建立

The chirality of the single-walled carbon nanotube (SWCNT) is an important characteristic to determine the structure, properties and further direct the applications. A demand currently exists for an accurate and rapid method of chirality quantitative assessment of bulk SWCNTs. Optical absorption spectroscopy has been proven to be an easy and powerful tool to evaluate these properties of SWCNTs. A novel linear superposition model with a regularization term is proposed for the rapid and accurate chirality assignment of a bulk SWCNT sample using the absorption spectra. We will use the SWCNT samples with simple and known chirality distribution as a starting point. Then experimentally obtain the crucial fitting parameters and learn the origin of background and its optical mechanisms. Various characterization techniques will be utilized to validate this optical model. Since this model simulates the entire absorption spectrum automatically and sums the absorption contributions from transition energies of each SWCNT, it is feasible to embed the calculated density of states and absorption cross section into the model. It would be expected that this novel optical model can achieve the rapid and accurate chirality quantitative assessment of SWCNT samples.

建立有效的单壁碳纳米管（SWCNT）手性结构的分析方法对推动其可控制备及实际应用具有重要意义，但现有方法尚缺乏快速、通用的定量分析能力。吸收光谱技术具有装置简单、易操作、可全面表征 SWCNT结构特性等优势，本项目拟基于吸收光谱建立线性叠加模型，并引入正则化因子优化拟合，快速、准确指认SWCNT的手性分布。从已知、简单手性分布的SWCNT样品出发，实验获得拟合吸收光谱的重要参数，揭示背景吸收的物理来源及其内在光学机制；实验研究与理论分析相结合，采用多种表征方法，验证该光学模型的准确和通用性。该模型可实现光谱整体拟合，无需预先强制分峰，适用于复杂峰型光谱，且每一个SWCNT为拟合的基本单元，利于全面引入SWCNT联合体密度和吸收截面的理论与实验值，因而有望实现SWCNT手性的准确、快速和通用分析，为SWCNT的可控制备和性能研究提供快速反馈和指导。

单壁碳纳米管由于其独特的一维结构和优异的物化性能，在复合材料、纳米电子和光电器件等领域具有巨大的应用前景。但现有方法制备的单壁碳纳米管样品通常包含了各种手性，而手性直接决定其结构和性能，发展一种准确、快速鉴别单壁碳纳米管手性的方法对可控合成及其应用具有重要意义。本项目基于单壁碳纳米管的光学特性，利用吸收光谱，建立了光学线性叠加模型，快速、准确获得单壁碳纳米管的手性分布。该光学模型具体如下：假设单壁碳纳米管样品吸收光谱是由背景吸收与单壁碳纳米管的本征吸收峰线性叠加而成；而本征吸收峰 是由每一个手性（n,m）单壁碳纳米管的吸收峰线性叠加而成，而每一个（n,m）单壁碳纳米管的吸收峰对应于其范霍夫奇点间的电子跃迁Eii。该模型具有如下特点：1）通用性。对吸收光谱整体拟合，无需预先指认吸收峰及分波段分析，解决了预先强制分峰引起的误差，并能够有效分析具有重叠峰等复杂峰形的吸收光谱；2）准确性。以每一个（n,m）单壁碳纳米管的吸收峰为拟合的基本单元，可以全面引入与手性密切相关的重要光谱数据，如峰宽、峰形和峰位，从而准确的定量分析吸收光谱。基于该光学模型拟合吸收光谱，我们成功获得单壁碳纳米管样品的直径、手性角、手性分布以及金属/半导体性碳管的比例。为更好的验证该光学模型，我们与芬兰Aalto大学Esko.I. Kauppinen教授领导的纳米材料实验室合作，利用该实验室先进的双球差矫正高倍透射电子显微镜对同一单壁碳纳米管样品进行精确测量，统计大量的实验结果，与吸收光谱的拟合结果展现了极好的一致性，由此进一步证明了该模型的准确性。本项目的顺利实施不仅有利于正确理解碳管样品的电子和光学性能，而且对快速反馈和指导单壁碳纳米管结构的可控制备，以及单壁碳纳米管的应用具有重要的实际意义。 在本项目的支持下，申请人在Nanoscale, Advanced Materials, Analytical Chemistry等国际期刊发表SCI论文18篇，其中以第一或通讯作者发表的SCI论文8篇，并培养硕士研究生3名。